摘 要 随着我国经济的快速发展，发电厂火电机组建设规模不断增大，与之配套的 冷却塔体型也越来越大。然而，在高烈度区超大型冷却塔结构难以满足抗震设防 的需要。本文将叠层橡胶基础隔震技术应用于超大型冷却塔结构，利用有限元分 析软件 SAP2000 模拟并对比分析了隔震和非隔震冷却塔结构在自重、风荷载、温 度作用和地震作用下的反应，主要完成了以下几方面工作： 以实际工程为例，对某一超大型冷却塔结构采用叠层橡胶隔震支座进行了基 础隔震设计。根据规范中隔震设计简化计算方法初步确定了隔震支座特性参数及 布置方案，并基于 SAP2000 选择合适的数值模拟方法。根据规范规定的荷载效应 组合对隔震与非隔震冷却塔进行对比分析，验证了隔震支座的选取和布置的正确 性以及隔震技术应用于超大型冷却塔结构的可行性，同时说明了隔震措施明显减 小了冷却塔结构在不同荷载及其相应效应组合下的内力反应。 按照现行规范规定的隔震分析方法，选用 7 组地震加速度记录三向输入，分 别对隔震与非隔震冷却塔结构进行了 8 度（0.2g）设防对应的小震、中震和大震 时一致地震加速度激励时程反应对比分析。说明了采用隔震措施可显著降低 X 支 柱内力、塔筒主应力和基底剪力反应；隔震后上部结构即使在罕遇地震作用下仍 然不会破坏；竖向地震动作用效应不可忽视。 考虑行波效应，选取 3 条单向地震加速度记录，以 III 类场地 8 度（0.2g）抗 震设防超大型冷却塔结构为例，分别按 200m/s、400m/s 和 600m/s 视波速，对隔 震和非隔震冷却塔结构进行了小震、中震和大震时非一致地震位移激励时程反应 分析。发现考虑行波效应后，隔震与非隔震冷却塔结构内力都有所增大，而 X 支 柱扭矩增大最为明显。行波效应对非隔震冷却塔结构内力反应影响显著，然而对 隔震冷却塔结构影响较小。 综合考虑行波效应，对 X 型支柱地震反应特点进行了深入研究。通过对比分 析隔震与非隔震冷却塔结构的扭转位移和基底剪力时程，说明了冷却塔结构在非 一致地震激励时会发生明显扭转并产生较大基底扭矩，并发现各支墩相对变形使 非隔震冷却塔 X 支柱扭矩显著增大，而隔震冷却塔 X 支柱扭矩增大是由于结构扭 转振动导致的。采用隔震措施明显减小了各支墩的相对变形和 X 支柱的扭矩，并 显著地减小了非一致地震激励下扭转效应对结构的不利影响。 关键词：超大型冷却塔；隔震；可行性；行波效应；扭转效应；有限单元法ABSTRACT 目 录 摘 要...........................................................................................................................I ABSTRACT .................................................................................................................. III 目 录...............................................................................................................................V 第一章 绪 论.......................................................................................................... 1 1.1 选题背景 .............................................................................................................. 1 1.2 超大型冷却塔结构研究现状 .............................................................................. 1 1.3 基础隔震技术发展及应用现状 .......................................................................... 3 1.3.1 橡胶隔震支座................................................................................................. 3 1.3.2 滑动隔震支座................................................................................................. 4 1.4 本文主要研究内容 .............................................................................................. 5 第二章 超大型冷却塔结构隔震设计基本要求.......................................................... 7 2.1 冷却塔结构特点.................................................................................................... 7 2.2 冷却塔结构分析方法............................................................................................ 8 2.2.1 自重................................................................................................................. 8 2.2.2 风荷载............................................................................................................. 8 2.2.3 温度作用......................................................................................................... 9 2.2.4 地震作用....................................................................................................... 10 2.2.5 荷载效应组合................................................................................................11 2.3 冷却塔结构隔震设计方法.................................................................................. 13 2.3.1 隔震原理....................................................................................................... 13 2.3.2 叠层橡胶隔震支座....................................................................................... 15 2.3.3 适合采用隔震方案的基本条件................................................................... 16 2.3.4 隔震设计基本要求....................................................................................... 17 2.3.5 隔震层特性参数的确定............................................................................... 19 2.4 小结...................................................................................................................... 21 第三章 超大型冷却塔结构基础隔震设计初步分析................................................ 23 3.1 工程概况.............................................................................................................. 23 3.2 隔震方案选择...................................................................................................... 25 3.3 有限元模拟方法介绍.......................................................................................... 30 3.3.1 SAP2000 简介 ............................................................................................... 30 3.3.2 框架单元....................................................................................................... 30 3.3.3 分层壳单元................................................................................................... 32 3.3.4 实体单元....................................................................................................... 34中国地震局工程力学研究所硕士学位报告 VI 3.3.5 橡胶隔震单元............................................................................................... 34 3.4 小结...................................................................................................................... 36 第四章 组合荷载作用下隔震与非隔震超大型冷却塔结构内力对比分析............ 37 4.1 重力作用.............................................................................................................. 38 4.2 温度作用.............................................................................................................. 40 4.3 风荷载.................................................................................................................. 43 4.4 模态分析.............................................................................................................. 52 4.4.1 非隔震冷却塔结构模态分析....................................................................... 52 4.4.2 隔震冷却塔结构模态分析........................................................................... 60 4.5 反应谱分析.......................................................................................................... 68 4.6 荷载效应组合...................................................................................................... 69 4.7 小结...................................................................................................................... 72 第五章 一致地震激励下超大型冷却塔结构隔震效果分析.................................... 75 5.1 地震加速度时程不同输入方式对比.................................................................. 79 5.1.1 非隔震冷却塔采用不同地震动输入方式对比........................................... 79 5.1.2 隔震冷却塔采用不同地震动输入方式对比............................................... 84 5.2 隔震与非隔震冷却塔结构位移反应对比.......................................................... 92 5.2.1 非隔震冷却塔位移反应分析....................................................................... 92 5.2.2 隔震冷却塔位移反应分析........................................................................... 99 5.2.3 隔